Timing-Komponenten zwischen KI und Automotive Der Takt muss schneller werden – und länger halten

KI-Rechenzentren treiben Frequenzen, Bandbreite und Synchronisationsanforderungen nach oben. Automotive und Industrie hingegen verlangen stabile Produkte und Versorgung über viele Jahre. TXC entwickelt Timing-Lösungen für beide Welten – und sieht Lieferfähigkeit zunehmend als Teil des Designs.

Ein Quarz oder Oszillator gehört nicht unbedingt zu den Bauteilen, die in einem KI-Rechenzentrum viel Aufmerksamkeit bekommen. GPUs, Switches und optische Verbindungen sind sichtbarer und deutlich teurer. Trotzdem müssen all diese Komponenten im richtigen Takt arbeiten. Genau der wird anspruchsvoller. Je mehr Rechenleistung innerhalb eines Racks zusammenkommt und je stärker einzelne Racks und Cluster miteinander kommunizieren, desto wichtiger wird nicht nur die Frequenz selbst. Phase Jitter, Phasenrauschen und Synchronisation entscheiden mit darüber, ob Daten zur richtigen Zeit dort ankommen, wo sie gebraucht werden.

„Früher fand präzise Synchronisation vor allem in Mobilfunknetzen statt“, sagt Oak Yu, Marketing & Sales Center Director von TXC. „Heute sehen wir Synchronisation überall – auch im Rechenzentrum.“ TXC entwickelt seit mehr als vier Jahrzehnten Quarze und Oszillatoren. Yu bezeichnet sie im Gespräch selbst als „sehr einfache Produkte“. Das physikalische Prinzip dahinter ist alt. Einfacher werden die Anwendungen deshalb nicht.

Mehr Rechenleistung erhöht auch den Synchronisationsdruck

In klassischen Rechenzentren konnten unterschiedliche Rechen- und Kommunikationsaufgaben stärker voneinander getrennt werden. Mit KI-Clustern verändert sich das. GPUs müssen Daten untereinander austauschen, Prozessoren kommunizieren mit Speicher und Beschleunigern, mehrere Racks werden zu größeren Recheneinheiten verbunden. TXC unterscheidet dabei wie die Systemhersteller zwischen Scale-up innerhalb eines Racks, Scale-out zwischen Racks und Scale-across zwischen größeren Clustern.

Für Timing-Komponenten sind das nicht einfach drei Varianten desselben Problems. Je nach Architektur, Verbindungstechnik und Reichweite ändern sich die Anforderungen an Frequenz, Genauigkeit und Jitter. Besonders stark wächst nach Beobachtung von TXC der Bereich der optischen Verbindungen. Rechenleistung allein reicht nicht, wenn die Daten nicht schnell genug zwischen den einzelnen Teilen eines KI-Systems transportiert werden können. Compute und Bandbreite müssen deshalb gemeinsam skalieren. Das hat Folgen für Komponenten, deren Aufgabe auf dem Schaltplan zunächst ziemlich unspektakulär aussieht: Ein Takt muss nicht nur vorhanden sein. Er muss unter den jeweiligen Bedingungen stabil genug sein.

156,25 MHz bleibt nicht der Endpunkt

Ein Beispiel dafür ist die Frequenzentwicklung bei Timing-Lösungen für Datenzentren. 156,25 MHz war dort lange eine typische Frequenz. TXC sieht inzwischen aber eine Verschiebung hin zu 312,5 MHz und 625 MHz. Nach Yus Einschätzung könnten diese höheren Frequenzen bereits ab dem kommenden Jahr, also 2027, einen größeren Anteil einnehmen.

Die höhere Frequenz ist allerdings nur ein Teil der Entwicklung. Bei schnellen Datenverbindungen werden auch Phase Jitter und Phasenrauschen wichtiger. Schwankt der Takt zu stark, verschiebt sich der Zeitpunkt, zu dem ein Signal ausgewertet wird. Bei hohen Datenraten bleibt dafür immer weniger Spielraum. TXC versucht deshalb nicht nur, höhere Frequenzen zu erreichen, sondern entwickelt parallel dazu niedrigere Jitter-Werte und engere Spezifikationen.

Yu nennt PCIe als Beispiel. Für künftige Generationen will das Unternehmen nach eigener Aussage Timing-Lösungen entwickeln, deren Werte nicht nur die aktuelle Spezifikation erfüllen, sondern deutlich darunter liegen. „Wir sollten nicht nur die Anforderungen unserer Kunden erfüllen“, so Yu. „Wir sollten ihnen einen Schritt voraus sein.“ Hinter der Herstellerstrategie steckt eine praktische Schwierigkeit: Wenn eine Timing-Komponente erst entwickelt wird, nachdem eine neue Schnittstelle bereits feststeht, kann sie für frühe Designs zu spät kommen.

Der Quarz wird kleiner, die Anforderungen nicht

Parallel zur Frequenz steigt der Druck auf die Baugröße. TXC arbeitet mit photolithografischen Prozessen, um Quarz-Blanks waferbasiert herzustellen. Gegenüber älteren mechanischen Verfahren soll das vor allem eine gleichmäßigere Fertigung ermöglichen. Nach Unternehmensangaben produziert TXC auf diese Weise monatlich mehrere zehn Millionen Quarz-Blanks. Auch die Miniaturisierung geht weiter; das Unternehmen arbeitet bereits an Bauformen unterhalb der heute verfügbaren sehr kleinen Varianten.

Kleine Abmessungen sind dabei vor allem für mobile und kompakte Edge-Geräte interessant. Andere Anwendungen setzen andere Prioritäten. Automotive und Datenzentren verlangen beispielsweise einen Betrieb bei höheren Temperaturen. Yu nennt bis zu 125 °C als Anforderung, die Kunden inzwischen stellen. Bei Kommunikations- und KI-Anwendungen kommen niedriger Jitter und niedriges Phasenrauschen hinzu. Andere Anwendungen verlangen einen niedrigen ESR oder geringe Hysterese über Temperatur.

Ein kleinerer Quarz ist deshalb nicht automatisch ein besserer Quarz. Je nach Anwendung verschiebt sich nur, welcher Parameter zuerst problematisch wird.

Automotive bewegt sich absichtlich langsamer

Während sich die Anforderungen im KI-Datacenter innerhalb weniger Produktgenerationen deutlich verändern können, funktioniert Automotive anders. Hier ist der langsamere Rhythmus kein technologischer Rückstand, sondern Teil des Geschäfts. Yu beschreibt Automotive-Produkte als Anwendungen, bei denen Zuverlässigkeit, Lieferfähigkeit, Flexibilität und langfristige Stabilität stärker gewichtet werden als die schnelle Einführung jeder neuen Technologie.

Leo Kao kennt diese Logik aus dem europäischen Markt. Er ist Director des European Office von TXC in Frankfurt und betreut unter anderem europäische Automotive-Kunden. Europäische Tier-1-Zulieferer arbeiteten häufig mit Produktlebenszyklen von fünf bis zehn Jahren, erklärt Kao. Ein Design verschwindet nicht, nur weil drei Jahre später ein technisch attraktiverer Oszillator verfügbar ist.

Für TXC war das zunächst eine hohe Eintrittsbarriere. Japanische Wettbewerber arbeiteten teilweise schon seit den 1970er- und 1980er-Jahren mit europäischen Automotive-Unternehmen zusammen. Als TXC später in diesen Markt kam, fehlte vor allem eines: die Historie. „Wir hatten keinen Track Record“, sagt Kao über diese Anfangszeit. Zertifizierungen seien vorhanden gewesen, hätten aber zunächst nur die Voraussetzung geschaffen, überhaupt berücksichtigt zu werden.

Schnellere Automotive-Märkte in China und Projekte mit neuen EV-Herstellern halfen dem Unternehmen nach eigener Darstellung anschließend dabei, diese Erfahrungen aufzubauen. Mit diesem Hintergrund ging TXC später erneut auf etablierte europäische Tier-1-Zulieferer zu. Das ist ein anderer Weg als bei KI: Im Rechenzentrum muss ein Anbieter früh genug bei der nächsten technischen Generation sein. Im Automotive-Markt muss er zusätzlich beweisen, dass er auch noch da ist, wenn diese Generation längst nicht mehr neu ist.

Europa fragt nicht nur nach dem Datenblatt

Kao sieht denselben Gedanken inzwischen auch außerhalb des Fahrzeugs. Industrieautomation, Medizintechnik, Energieinfrastruktur und andere europäische Anwendungen haben häufig lange Lebenszyklen. Ein Bauteil, das heute eindesignt wird, kann viele Jahre später noch benötigt werden. Der Frequenzwert und der Jitter eines Oszillators sind dann nur ein Teil der Auswahl.

Europäische Kunden erwarteten lokale technische Ansprechpartner, kurze Reaktionszeiten und Unterstützung in ihrer eigenen Sprache, sagt Kao. Hinzu kommen Qualitätsprozesse, Langzeitverfügbarkeit und ein nachvollziehbarer Umgang mit Änderungen und Abkündigungen. Gerade bei kleineren und mittleren Unternehmen reicht dafür ein direkter Vertrieb an einige große OEMs nicht aus. TXC setzt in Europa deshalb zusätzlich auf technisch orientierte Distributoren und lokale Lagerbestände.

Für Kao ist wichtig, dass ein Distributor nicht nur Teile verkauft. Er soll Design-ins begleiten, neue Anwendungen erkennen und technisch unterstützen können. Das klingt zunächst nach Vertrieb, berührt aber eine technische Realität: Je länger ein Produkt im Feld bleiben soll, desto relevanter wird die Frage, wer bei einer Änderung noch erreichbar ist.

Eine Abkündigung ist bei zehn Jahren Laufzeit kein kleines Ereignis

Besonders deutlich wird das beim Change-Management. Wenn ein Industrie-, Medizin- oder Automotive-Produkt über viele Jahre verkauft wird, kann die Änderung einer einzelnen Timing-Komponente neue Prüfungen auslösen. Im Automotive-Bereich kommen dokumentierte Freigabe- und Qualifikationsprozesse hinzu. Ein Hersteller kann deshalb nicht einfach irgendwann mitteilen, dass ein Bauteil in sechs Monaten verschwindet.

Kao nennt stabile Qualität, stabile Versorgung, transparentes Change-Management und langfristige Verfügbarkeit als zentrale Erwartungen europäischer Kunden. Der Preis eines einzelnen Quarzes kann niedrig sein. Die Kosten eines ungeplanten Redesigns sind es nicht.

Die Supply Chain beginnt inzwischen beim Entwickler

Kao geht noch einen Schritt weiter. „Supply-Chain-Stabilität ist kein rein logistisches oder kommerzielles Thema mehr“, sagt er. „Sie ist Teil des Engineerings.“ Die Frage nach der späteren Beschaffung wird inzwischen teilweise schon gestellt, bevor sich der Entwickler endgültig für eine Komponente entscheidet. Wie lange soll das Produkt laufen? Welche Standorte können es fertigen? Welche Alternativen stehen bereit? Welche Qualifikationen sind nötig, wenn die Produktion verlagert wird?

TXC versucht, auf diesen Druck mit einer breiteren Fertigungsbasis zu reagieren. Neben den Standorten in Taiwan und China produziert das Unternehmen inzwischen auch in Japan und Indonesien. Die zusätzlichen Standorte sollen unter anderem Kunden bedienen, die ihre Abhängigkeit von einzelnen Ländern reduzieren wollen. Auch bei den ASICs für Oszillatoren hat TXC nach den Erfahrungen der Halbleiterknappheit 2021 und 2022 die Zahl der Bezugsquellen erhöht.

Beim künstlich erzeugten Quarz selbst sieht Yu derzeit weniger Risiko. TXC halte dafür nach eigener Aussage einen Lagerbestand von mehr als 36 Monaten und arbeite mit mehreren japanischen Lieferanten. Die lange Reichweite wirkt zunächst ungewöhnlich, ist bei einem sehr kleinen Ausgangsmaterial aber leichter umzusetzen als bei großvolumigen Bauteilen. Eine Lieferkette wird damit nicht krisenfest. Eine Abhängigkeit wird nur etwas kleiner.

Europas KI-Chance könnte näher an der Maschine liegen

Für Europa sieht Kao einen weiteren Markt, der diese Themen miteinander verbindet: Edge-AI. Bei großen Cloud-Plattformen hätten amerikanische und asiatische Unternehmen einen deutlichen Vorsprung. Anders sehe es bei Automotive, Maschinenbau, Industrieautomation, Energie und spezialisierten Anwendungen aus.

Dort entstehen Daten unmittelbar in der Anwendung. Gleichzeitig spielen Datenschutz, Reaktionszeit und Kontrolle eine größere Rolle. Für Kao ist deshalb AI on Device ein Bereich, in dem europäische Unternehmen eine eigene Stärke entwickeln könnten. Automatisierung werde zusätzlich durch Fachkräftemangel und hohe Produktionskosten interessant.

Für Timing-Komponenten verschiebt sich damit das Anwendungsfeld erneut. Der Quarz sitzt dann nicht nur im Smartphone, der Basisstation oder im Server. Er landet in Robotern, Steuerungen, Sensorik, Fahrzeugen, medizinischen Geräten und anderen vernetzten Systemen. Die Stückzahlen können wachsen. Einheitlicher werden die Anforderungen deshalb nicht.

Ein kleiner Taktgeber zwischen zwei Geschwindigkeiten

TXC bezeichnet KI und Automotive intern als seine beiden großen Wachstumstreiber. Technisch könnten die Anforderungen kaum unterschiedlicher aussehen. KI-Infrastruktur bewegt sich schnell, weil Frequenzen steigen, optische Verbindungen wachsen und Timing-Spezifikationen enger werden. Eine Komponente muss möglichst schon fertig sein, bevor der nächste Standard im Markt angekommen ist.

Automotive und europäische Industrie verlangen zusätzlich etwas anderes: Ein Produkt soll qualifiziert sein, verfügbar bleiben und Änderungen möglichst selten erzwingen. Der Kunde will wissen, was in fünf oder zehn Jahren passiert. Genau zwischen diesen beiden Geschwindigkeiten bewegt sich der Taktgeber. Seine Frequenz wird höher. Sein Lebenszyklus wird deshalb nicht automatisch kürzer. (sb)

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